Food science, food industrial technology on blog

ความชื้น หรือน้ำ เป็นองค์ประกอบที่สำคัญต่อคุณภาพ, ปฏิกิริยาต่างๆ และอายุการเก็บรักษาของอาหาร การที่เราทราบว่าตัวอย่างอาหารของเรานั้นมีความชื้นเท่าไร ก็จะช่วยให้เราสามารถที่จะออกแบบ หรือกำหนดวิธีการ รวมถึงออกแบบสภาวะของการเก็บรักษาที่เหมาะสมกับอาหารได้ ซึ่งถ้าเป็นงานปัญหาพิเศษ เฉพาะเรื่องความชื้นนั้น เราสามารถที่จะเอาเล่นได้เยอะแยะมากมาย เอาไปทอดแทรกในงานที่เกี่ยวข้องได้บานเลยละครับ แค่วิธีดั้งเดิมที่เราชั่งแล้วอบก็ยังได้รับความนิยมใช้งานกันอยู่ เพราะมันเป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับตามห้องปฏิบัติการอยู่แล้ว ที่กล่าวมาเบื้องต้นนี้คือในแง่ของการประยุกต์ใช้กับงานทางปัญหาพิเศษสำหรับน้องๆนะครับ แต่ถ้าเป็นการปฏิบัติงานจริงๆแล้ว โดยทั่วไปถ้ากล่าวถึงการหาความชื้น เราจะวิเคราะห์หาไปเพื่ออะไรกันบ้างละ ลองมาช่วยผมนึกกันนะครับ เผื่อว่าผมจะตกหล่นอะไรลงไปบ้าง

อาหารบางอย่างนั้น ในการเก็บรักษาเราจำเป็นจะต้องควบคุมความชื้นที่ตัวผลิตภัณฑ์ให้อยู่เกณฑ์ที่กำหนด เช่น อาหารแห้ง, น้ำมัน, ซีอิ๊ว, ซอสปรุงรส, น้ำผึ้ง ซึ่งที่ผมกล่าวชื่อมาข้างต้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้นครับ หลายคนคงจะยังจำคำว่า a_w กันได้อยู่นะ ซึ่งมันก็คือ ความดันไอในอาหารต่อความดันของน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกัน

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าน้ำในอาหารไม่อยู่ในสภาวะที่เหมาะสมต่อการเก็บรักษา? คำตอบคือ อาหารก็จะเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ขึ้นมาเท่าที่สับสเตรทจะอำนวยให้เกิด และสิ่งแวดล้อมเอื้ออำนวย ยกตัวอย่างเช่น เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชัน, ออกซิเดชัน, ไอโซเมอไรเซชันซึ่งที่ว่ามานี้เราไม่ต้องการให้เกิดเลย

วิเคราะห์ปริมาณน้ำในอาหาร สำหรับกรณีที่ต้องการค่าไปใช้โดยตรง เช่น เรามีผลิตภัณฑ์ใหม่อยู่ตัวนึง ต้องการจะวิเคราะห์ว่าในอาหารมีองค์ประกอบต่างๆ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ความชื้น ไขมัน เพื่อจัดทำรายการฉลากอาหาร เป็นต้น

วิเคราะห์ปริมาณน้ำในอาหาร สำหรับกรณีที่ต้องการค่าไปใช้โดยอ้อม เช่น ถ้าเราต้องการวัดค่าการนำความร้อนของชิ้นอาหาร ปริมาณความชื้นจะเป็นสัดส่วนของตัวแปร k (Thermal Conductivity) หรือ ค่าความจุความร้อน C (Heat Capacity)ที่เราพบในงานทางวิศวกรรมอาหาร

หลักการหาความชื้น

ในการหาความชื้นในตัวอย่างอาหาร หรือตัวอย่างอะไรแล้วแต่นะครับ ต้องบอกก่อนว่าค่าความชื้นที่เราได้นั้น เราจะเรียกว่าค่าโดยประมาณ (Proximate analysis) เนื่องจากจะมีองค์ประกอบของน้ำส่วนนึงที่เป็นมอนอเลเยอร์ (Monolayer water)ที่ดึงออกได้ยาก ทำให้ค่าความชื้นจะมีค่าน้อยกว่าค่าตามจริงอยู่เล็กน้อย ในทำนองเดียวกันนี้การหาความชื้นของดิน ก็จะใช้หลักการไม่ต่างไปจากอาหารสักเท่าไหร่ ซึ่งมันจะมีวิธีหรือแนวทางในการหาความชื้นอยู่สองแบบใหญ่ๆ ก็ขออธิบายแบบนึกไปพิมพ์ไปแล้วกันนะครับ คือ

หลักการหาความชื้นด้วยวิธีโดยตรง

วิธีนี้เป็นวิธีการดึงน้ำออกจากอาหารแล้วเอาไปชั่งนะครับ ถ้าวิธีโบราณเลย ก็จะเป็นการชั่งแล้วอบ อบแล้วก็ชั่ง ปกติแล้วเราจะใช้อุณหภูมิลมร้อนที่ 100-105^oC อันเป็นอุณหภูมิที่เกิดจุดเดือดของน้ำมา ส่วนระยะเวลาในการอบบอกไม่ได้ครับ มันแล้วแต่ชนิดของอาหาร แต่อย่างไรก็ตามใครที่มีหนังสือ AOAC อยู่ก็ช่วยเปิดให้หน่อยนะครับว่าฝรั่งเขา Recommend ไว้ที่กี่ชั่วโมง(ช่วยผมหากินหน่อยเถอะ) ซึ่งวิธีนี้เป็นวิธีที่เบสิคมากๆดังภาพประกอบ

โดยเราสามารถหาค่า %ความชื้นจากความสัมพันธ์นี้นะครับ ไม่อยากพูดว่าเป็นสูตร เพราะมันไม่ใช่สูตร !#$

ความยากของวิธีนี้อยู่ตรงที่การเตรียมตัวอย่าง และการกำหนดเวลาครับ หลายคนอาจจะงงว่ามันยากตรงไหน ในเมื่อก็แค่ชั่งแล้วอบ ซึ่งผมก็เชื่อว่าหลายคนคงลืมไปว่า ในการวิเคราะห์ทางอาหาร เราควรที่จะต้องทำให้ตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกันด้วยนะ อาหารแข็งต้องเอามาบดในครกด้วยสากเสียก่อน อาหารที่เป็นชิ้นใหญ่อาจจะต้องตัดซอยลดขนาดลงไปบ้าง ขนมปังต้องทิ้งให้แห้งแข็งก่อนที่จะนำไปหาความชื้น อาหารเหลวบางชนิดจำเป็นต้องอุ่นก่อนนำตัวอย่างไปอบหาความชื้น เช่น น้ำนม

พวกอาหารบางชนิดที่มีน้ำตาล หรือแป้งเป็นองค์ประกอบก็จะมีความยุ่งยากในการหาความชื้นอยู่สักหน่อยนะครับ เพราะว่าตามหลักแล้ว อาหารพวกนี้เวลาโดนความร้อนสูงโดยตรง มันจะเกิดการหลอมละลายขององค์ประกอบ ทำให้เกิดการแข็งตัว ซึ่งผิวนอกที่แข็งจะทำให้น้ำบางส่วนที่ยังไม่ทันได้ระเหยออกไป ติดอยู่ภายในเปลือกที่แข็ง แล้วเราจะแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างไร??

คำตอบก็คือ เราต้องลดความดันในการอบและอุณหภูมิที่ใช้อบลงควบคู่กันไป อย่าลืมนะครับว่าจุดเดือดของน้ำจะสัมพันธ์กับความดัน เราลดความดันลงไปเพื่อให้น้ำเดือดหรือระเหยไปที่อุณหภูมิต่ำๆ ซึ่งวิธีนี้สามารถใช้ในการหาความชื้นของบรรดาน้ำมันหอมระเหยก็ได้ครับ หรือ อีกวิธีนึงคือ ผสมทรายลงไปกับเนื้ออาหารพวกนี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการอบแห้งก็ได้ เนื่องจากทรายจะอมความร้อนได้ดี แล้วก็ไปได้ทั่ว สามารถแทรกไปตามเนื้อของอาหารได้

source http://www.industrysearch.com.au/Suppliers/Sartorius-Mechatronics-Australia

source http://www.triodeindia.com/moisture-meters.php

ก็มีตัวอย่างของเครื่องวัดความชื้นที่มีจำหน่ายในปัจจุบันมาให้ชมกันนะครับ ซึ่งหาจากกูเกิ้ลไม่ยากเลย

โดยบรรดาเครื่องวัดความชื้นที่มีจำหน่าย ที่ใช้หลักการโดยตรง ก็จะเป็นการลอกเลียนหลักการชั่งแล้วอบเหมือนที่เราทำกันกับตู้อบลมร้อน เพียงแต่ว่ามันจะสะดวก และคลาดเคลื่อนน้อยกว่า(ถ้ามีการสอบเทียบเครื่องมือสม่ำเสมอ) ประกอบไปด้วยส่วนต่างๆ คือ

1)  ระบบเครื่องชั่งละเอียด

2)  ระบบให้ความร้อนชนิดควบคุมอุณหภูมิคงที่ได้ โดยอาจจะมีแหล่งให้ความร้อนจากอินฟราเรด, หลอดฮาโลเจน หรือ แหล่งพลังงานความร้อนอื่นใดก็แล้วแต่ผู้ผลิตจะพลิกแพลง

3)  วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เอาไว้สำหรับควบคุม อุณหภูมิ ตั้งเวลาการทำงาน ประมวลผลการคำนวณ แสดงค่าน้ำหนัก,อุณหภูมิ และค่าความชื้นเมล็ดพืช ซึ่งในส่วนนี้จะเป็นระบบต่อเนื่อง เครื่องที่แพงหน่อยก็จะมีความสามารถในการตั้งเวลาละเอียดได้ว่าจะบันทึกผลทุกๆกี่นาที กี่ชั่วโมง รวมทั้งมีความสามารถจดบันทึกข้อมูลลงไปยัง text file อีกด้วย 

นอกจากนี้ก็ยังมีวิธีอื่นๆ เช่น การใช้สารเคมีที่มีความสามารถในการดึงน้ำออกมาจากอาหาร เช่น การใช้ Karl Fischer reagent โดยการนำไปไทเทรตกัน แล้ววัดปริมาณ Karl Fischer reagent ที่ใช้ไปเทียบกับน้ำ ซึ่งวิธีนี้มีข้อจำกัดตรงที่ตัวอย่างอาหารที่ใช้ ธรรมชาติของตัวมันเองจะเป็นอาหารที่มีค่าความชื้นต่ำอยู่แล้ว เช่น อาหารอบแห้ง, น้ำตาล, น้ำมัน เป็นต้น

หลักการหาความชื้นด้วยวิธีโดยอ้อม

ยังพอที่จะจำความสัมพันธ์ของค่ากายภาพต่างๆเช่น ค่าการนำไฟฟ้า, ค่าไดอิเล็กทริก กับระดับความชื้นหรือน้ำกันได้หรือไม่ครับ เพราะในช่วงแรกของบทความนี้ผมได้อธิบายความสัมพันธ์ของน้ำกับค่าต่างๆไป ซึ่งวิธีการนี้จะเป็นการใช้เครื่องมือวัดค่าทางกายภาพออกมา แล้วจึงแปรผลออกมาเป็นความชื้นของน้ำ

source http://cgi.ebay.com/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=330404386261

แต่อย่างไรก็ตามวิธีนี้มีข้อจำกัดในการใช้เครื่องมืออยู่ เนื่องจากในการคำนวณนั้นจะอยู่บนฐานข้อมูลที่ผู้ผลิตป้อนเข้าไปเท่านั้นครับ งงไหม ตัวอย่างเช่น ถ้าเป็นถ้าเป็นเครื่องวัดความชื้นที่ใช้ในการวัดความชื้นเมล็ดพันธุ์ จะเอาไปใช้วัดความชื้นในเนื้อสัตว์ไม่ได้ เนื่องจากความชื้นที่วัดได้จะคลาดเคลื่อนมาก เนื่องจากองค์ประกอบภายในของเมล็ดพันธุ์กับเนื้อสัตว์มีความแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้นอย่าใช้ปนกันครับ

สำหรับหลักการในการสร้าง ออกแบบเครื่องวัดความชื้นพวกนี้ ก็จะอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางกายภาพกับน้ำ เช่น

ใช้หลักการของความนำไฟฟ้าหรือความต้านทาน โดยค่าความต้านทานไฟฟ้าของเมล็ดพืชจะมีค่าผกผันกับความชื้นของเมล็ดพืช หรือ ค่าความนำไฟฟ้าของเมล็ดพืชจะผันตรงกับค่าความชื้นของเมล็ดพืช อธิบายง่ายๆแบบนี้ครับ เนื่องจากในกรณีนี้น้ำจะเป็นตัวนำพากระแสจากเซลไปยังอีกเซล

source http://scilution.nanasupplier.com

ใช้หลักการของค่าไดอิเล็กทริกของสาร โดยมีหลักการว่า ค่าไดอิเล็กตริกของตัวอย่างจะเพิ่มขึ้นเมื่อ เมล็ดพืชมีความชื้นมากขึ้น ซึ่งใช้การจ่ายไฟฟ้าเข้าตัวอย่าง เข้าไปยังแผ่นโลหะกั้นที่ทำหน้าที่ตัวเก็บประจุ ตัวอย่างอาหารที่ใส่ลงในช่องก็จะทำหน้าที่เป็นตัวกลางแทนที่อากาศ เราจึงสามารถใช้หลักการนี้เทียบค่าความชื้นได้

ใช้หลักการดูดกลืนคลื่น กล่าวคือเมื่อให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(คลื่นวิทยุความถี่สูง)เช่น ย่านไมโครเวฟผ่านเมล็ดพืชที่มีความชื้นมาก คลื่นจะผ่านออกมาได้น้อยลง

อย่างไรก็ตามทั้งสามวิธีข้างต้นนี้ยังมีข้อกำหนดในเรื่องของอุณหภูมิเข้ามาประกอบด้วย เนื่องจากสมบัติทางไฟฟ้าจะเปลี่ยนไป เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงด้วย

วิธีวัดปริมาณก๊าซที่ทำปฏิกิริยา แล้วเทียบกลับไปเป็นน้ำ สารเคมีที่ใช้นั้น เราก็รู้จักกันดีนะครับ นั่นคือ แคลเซียมคาร์ไบด์(Calcuim carbide; CaC₂) หรือ ถ่านแก๊สนั่นเอง โดยกลไกของปฏิกิริยาคือ

จากความสัมพันธ์นี้ทำให้เราสามารถแทนค่ากลับ โดยการชั่งมวลของแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่เหลือ แล้วทำการคำนวณโดยใช้หลักปริมาณสารสัมพันธ์ได้เช่นเดียวกันครับ